CN101764180A - 一种局域前表面场n型太阳电池的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局域前表面场N型太阳电池的制作方法，该方法利用铝硅合金化过程或高温硼扩散过程形成背表面p-n结，激光掺杂形成前表面局域重掺杂N型区域作为前表面场，并用化学镀或电镀方法在上述重掺杂N型区域上制作前电极。本发明与传统制作工艺相比具有工艺简单、成本低廉、无需二次对位等优点。

Description

一种局域前表面场N型太阳电池的制作方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电领域，具体涉及一种局域前表面场N型太阳电池的制作方法。

背景技术

太阳电池是一种利用光生伏特效应将太阳能直接转换为电能的半导体器件。从结构上说，太阳电池一般由半导体衬底、位于半导体衬底表面的p-n结、高低结、介质膜和金属电极所组成。

根据衬底导电类型的不同，可以把太阳电池分为P型和N型太阳电池两种。P型太阳电池工艺成熟，占据了当前太阳电池市场的主导地位。但是，P型太阳电池硼、氧含量过高，硼氧对在紫外光作用下会导致P型太阳电池出现明显的性能衰减。这使得很多研究机构和生产企业把目光转移到N型太阳电池上。由于N型晶体硅中硼含量少，因而由硼-氧对所导致的光致衰减现象并不明显。此外，由于N型晶体硅对铁等过渡金属的耐受性比P型晶体硅要好，所以一般情况下，N型晶体硅具有更高的少子寿命。这对于制作高效太阳电池非常有利。

根据p-n结的所处的位置，N型太阳电池又可以分为前发射极N型太阳电池和背发射极N型太阳电池两类。前发射极N型太阳电池一般通过在N型半导体衬底前表面进行高温硼扩散的方法制作p-n结。该电池结构简单，而且与传统P型太阳电池制作工艺基本一致，因而易于实现产业化。但是，处于太阳电池前表面的硼原子仍然可以与衬底中的氧形成硼氧对，在长时间的紫外光照射下同样会导致太阳电池性能下降。

背发射极N型太阳电池则基本不存在硼氧对导致的光致衰减现象。一般背发射极N型太阳电池通过在N型半导体衬底背表面进行高温硼扩散的方法制作p-n结。由于紫外光在太阳电池前表面很浅的区域内便被吸收殆尽，紫外光难以入射到太阳电池背表面。背表面硼氧对在缺少紫外线照射的情况下并不会导致太阳电池出现明显的性能衰减。

除了硼背发射极N型太阳电池外，铝背发射极N型太阳电池也是一种有前途的N型太阳电池结构。铝背发射极N型太阳电池的结构与硼发射极N型太阳电池基本一样，只是其背表面p-n结是通过N型晶体硅衬底与铝电极在高温下发生的合金化过程来形成的。铝背发射极N型太阳电池由于硼含量极少，所以同样不存在由硼氧对所导致的光致衰减现象。

虽然不存在光致衰减的问题，但是背发射极结构带来了另外一些缺点。由于大多数太阳光在太阳电池前表面被吸收，其产生的光生载流子必须迁移到太阳电池背表面p-n结才能被收集利用。在迁移过程中，光生载流子很容易被太阳电池前表面或衬底中的缺陷所俘获，从而影响太阳电池的性能。因此，要提高背发射极N型太阳电池的效率就必须减少光生载流子在太阳电池前表面和衬底体内的复合。

降低前表面掺杂浓度能有效减少光生载流子在太阳电池前表面的复合，但是过低的表面掺杂浓度不利于金属前电极与衬底之间形成良好欧姆接触。局域前表面场N型太阳电池结构很好地解决了上述矛盾。如图1所示，太阳电池前电极附近的重掺杂N型区域在形成前表面场的同时保证金属电极与半导体衬底形成良好的欧姆接触。而太阳电池前表面除电极附近区域外并不进行扩散掺杂，N型衬底被钝化介质膜所覆盖，这有效降低了太阳电池前表面的平均掺杂浓度，从而减少光生载流子在前表面的复合。

由于局域前表面场N型太阳电池需要对前表面进行局域掺杂，所以制作工艺相对普通太阳电池要复杂。如图2所示，传统的制作方法是先在介质膜的局部位置开槽并对开槽区域进行重掺杂，这样可以得到局域的前表面场。实验室常用光刻方法对介质膜进行开槽，但是光刻方法成本高昂、工艺复杂，并不适合工业生产中应用。

中国专利CN101101936A提出一种采用丝网印刷腐蚀剂进行开槽，并进行两步扩散得到选择性发射极的方法。该方法具有成本低、工艺简单的优点，同时也适用于局域前表面场的制作。但是采用该方法往往在后续丝网印刷制作电极时出现困难。因为前电极必须跟重掺杂N型区域重合，这对丝网印刷的对位精度要求很高。为了克服上述对位问题，可以把重掺杂N型区域展宽，但是这样一来又提高了太阳电池前表面的平局掺杂浓度，增加了光生载流子在前表面的复合。

发明内容

本发明的目的是提出一种适合工业化生产的局域前表面场N型太阳电池制作方法，该方法具备工艺简单，成本低廉和无需对位等特点。

本发明提供的一种局域前表面场N型太阳电池的制作方法，其特征在于，利用铝硅合金化过程或高温硼扩散过程形成背表面p-n结，激光掺杂形成前表面局域重掺杂N型区域，并用化学镀或电镀方法在上述重掺杂N型区域上制作前电极。

根据背表面发射极的类型(硼发射极或铝发射极)，上述制作方法可以细分为两个相似的技术方案。

第一个技术方案是利用铝硅合金化过程形成背表面p-n结，激光掺杂形成前表面局域重掺杂N型区域，并用化学镀或电镀方法在上述重掺杂N型区域上制作前电极，具体包括以下步骤：

(a)对N型半导体衬底进行表面织构化并进行化学清洗

表面织构化的目的是增加太阳光在太阳电池表面的反射次数，从而增加光的吸收。对于单晶硅衬底，一般采用碱溶液(如稀的氢氧化钠溶液)在衬底表面形成金字塔形状的绒面；而对于多晶硅衬底，一般采用氢氟酸、硝酸和水的混合溶液在衬底表面形成凹坑状的绒面。

化学清洗的目的是去除衬底表面的杂质，为后续的扩散工艺做准备。一般采用稀释的盐酸和氢氟酸进行清洗。

(b)在N型半导体衬底前表面制备介质膜

介质膜的作用有三个：一是作为减反射膜，增加太阳光的入射；二是起表面钝化作用，减少光生载流子在电池表面的复合；三是作为后续化学镀、电镀的掩模，避免在电极区域以外的地方镀上金属。

本发明所述的介质膜是指单层氧化硅、氮化硅、非晶硅或氧化铝膜，或任意上述单层膜组成的叠层膜。

(c)在N型半导体衬底背表面制备铝电极

对于不同类型背发射极的N型太阳电池，铝电极的作用有所不同。对硼背发射极N型太阳电池而言，铝电极只起到收集电流的作用；而对于铝背发射极N型太阳电池(即本技术方案设计的类型)，铝电极除了收集电流外，还作为掺杂剂在烧结过程中对N型半导体衬底进行P型掺杂，从而形成p-n结。

本发明所述的铝电极可以采用丝网印刷、溅射或蒸镀方法进行制备。该铝电极覆盖衬底表面的全部面积或除边缘外的大部分面积。

(d)高温烧结形成背表面P型层从而获得p-n结

对于铝背发射极N型太阳电池，当烧结温度高于铝硅共晶点温度575℃时，铝硅界面将形成共融的铝硅合金层。因此在575～1000℃即不低于铝硅共晶温度的环境下对太阳电池进行热处理。在烧结的冷却过程中，熔融的硅重结晶并析出超出其固溶度的铝，但是仍有微量的铝原子残留在硅衬底的重结晶区域。这层重结晶层呈P型导电类型，与N型衬底构成p-n结。

(e)在N型半导体衬底前表面涂覆磷源

涂覆磷源主要是为后续的激光掺杂提供杂质源。本发明所述的涂覆磷源的步骤由喷涂、旋涂或丝网印刷来实现，所述的磷源是指磷酸、磷酸-乙醇混合溶液、高温磷扩散所形成的磷硅玻璃层或其它含磷物质。

(f)在N型半导体衬底前表面进行激光掺杂形成局域重掺杂N型区域

激光掺杂是为了在N型半导体衬底前表面形成局域重掺杂N型区域。制作过程中采用激光扫描涂有磷源的衬底表面，激光产生的高温使该区域内的衬底材料熔融并与磷源混合形成重掺杂的N型区域。由于重掺杂N型区域的作用是与金属电极形成欧姆接触，所以该区域掺杂浓度要足够高，本发明要求其方块电阻不大于45Ω/□；此外，激光掺杂区域要与设计的太阳电池前电极形状一致，一般呈梳状分布在太阳电池前表面。

(g)用化学镀或电镀方法在重掺杂N型区域上制作前电极

本发明所述的前电极是用银、铜、镍、锡或含有上述元素的合金组成，该前电极位于激光烧蚀所产生的凹槽内，覆盖于局域重掺杂N型层之上。银、铜的电阻率低，有利于获得低的电极体电阻；镍与硅的接触电势低，有利于形成良好的欧姆接触；而锡的焊接性能好，有利于提高太阳电池和互联条之间的结合力。本发明提出的一种技术方案是先采用化学镀方法在局域重掺杂N型层镀一层薄的镍电极，再用电镀方法在镍电极上镀银或铜。另一种技术方案是直接采用电镀方法镀镍，再电镀铜或银。如果选用铜作为电极，还需要在铜上电镀一层锡或银，这样可以提高电极的可焊性。

本发明的第二个技术方案是利用高温硼扩散过程形成背表面p-n结，激光掺杂形成前表面局域重掺杂N型区域，并用化学镀或电镀方法在上述重掺杂N型区域上制作前电极，具体包括以下步骤：

(a)对N型半导体衬底进行表面织构化并进行化学清洗；

(b)在N型半导体衬底前表面制备介质膜；

(c)高温硼扩散形成背表面P型层从而获得p-n结；

(d)在N型半导体衬底背制备金属银电极和铝电极并进行高温烧结；

(e)在N型半导体衬底前表面涂覆磷源；

(f)在N型半导体衬底前表面进行激光掺杂形成局域重掺杂N型区域；

(g)用化学镀或电镀方法在重掺杂N型区域上制作前电极。

第二个技术方案与第一个技术方法基本一致，只有(c)(d)步骤有所区别。其实质是采用高温硼扩散过程制作p-n结代替铝硅合金化过程制作p-n结的步骤。高温硼扩散过程是指采用三溴化硼作为硼源，在800～1000℃的温度下对衬底进行P型掺杂的过程。

附图说明

图1为局域前表面场N型太阳电池结构示意图；

图2为局域前表面场N型太阳电池的传统制作方法；

图3为本发明提供的局域前表面场N型太阳电池制作方法之一；

图4为本发明提供的局域前表面场N型太阳电池制作方法之二；

图中1、N型半导体衬底，2、重掺杂N型半导体层，3、介质膜，4、背表面铝电极，5、背表面银电极，6、金属前电极，7、P型半导体层，8、磷源。

具体实施方式

实施例1

图3是本发明提供的局域前表面场N型太阳电池制作方法的第一个技术方案，具体包括以下步骤：

(a)对N型半导体衬底进行表面织构化并进行化学清洗

对于N型单晶硅衬底，采用稀的氢氧化钠或氢氧化钾溶液在衬底表面制作金字塔形状的陷光结构；对于N型多晶硅衬底，采用硝酸、氢氟酸混合溶液在衬底表面制作凹坑状的陷光结构。随后，分别采用稀释的盐酸和氢氟酸对衬底进行清洗。

(b)在N型半导体衬底前表面制备介质膜

采用热氧氧化在衬底表面生成一层约10nm的氧化硅薄膜，再用等离子体增强化学气相沉积方法在衬底前表面沉积约70nm的氮化硅薄膜。

(c)在N型半导体衬底背表面制备铝电极

在衬底背表面丝网印刷约25μm厚的铝浆料并烘干。

(d-1)高温烧结形成背表面P型层从而获得p-n结

采用链式烧结炉对太阳电池进行高温烧结，最高温度取575～1000℃，如850℃。

(d-2)在N型半导体衬底背表面制备银电极

在衬底背表面死亡印刷银浆料并烧结。

(e)在N型半导体衬底前表面涂覆磷源

采用旋涂方法在硅片前表面涂覆一层磷酸-酒精溶液。

(f)在N型半导体衬底前表面进行激光掺杂形成局域重掺杂N型区域

用激光在衬底前表面进行扫描，激光掺杂区域的方块电阻控制在45Ω/□以下，如20Ω/□。

(g)用化学镀或电镀方法在重掺杂N型区域上制作前电极

利用化学镀在重掺杂N型区域上镀镍电极，再采用电镀方法在镍电极上镀银。

实施例2

图4是本发明提供的局域前表面场N型太阳电池制作方法的第二个技术方案，具体包括以下步骤：

(a)对N型半导体衬底进行表面织构化并进行化学清洗；

(b)在N型半导体衬底前表面制备介质膜；

(c)高温硼扩散形成背表面P型层从而获得p-n结(采用三溴化硼作为掺杂源，在800-1000℃的温度下进行P型扩散)；

(d)在N型半导体衬底背表面丝网印刷银电极和铝电极并进行高温烧结；

(e)在N型半导体衬底前表面涂覆磷源；

(f)在N型半导体衬底前表面进行激光掺杂形成局域重掺杂N型区域；

(g)用化学镀或电镀方法在重掺杂N型区域上制作前电极。

本实施例除步骤(c)(d)外，其它步骤与实施例1一致。

总之，本发明例举了上述优选实施方式，但是应该说明，本领域的技术人员可以根据本发明公开的各参数的取值范围及各参数的种类进行各种变化和改型，如本发明所述的介质膜可以是单层氧化硅、氮化硅、非晶硅或氧化铝膜，或任意上述单层膜组成的叠层膜；本发明所述的铝电极可以采用丝网印刷、溅射或蒸镀方法进行制备；在背表面制作银电极可以采用印刷、溅射或蒸镀方法；本发明所述的涂覆磷源步骤是通过喷涂、旋涂或丝网印刷实现的，所述的磷源是指磷酸、磷酸-乙醇混合溶液、高温磷扩散时形成的磷硅玻璃层或其它含磷物质。因此，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种局域前表面场N型太阳电池的制作方法，其特征是利用铝硅合金化过程或高温硼扩散过程形成背表面p-n结，激光掺杂形成前表面局域重掺杂N型区域作为前表面场，并用化学镀或电镀方法在上述重掺杂N型区域上制作前电极，具体包括以下步骤：

(a)对N型半导体衬底进行表面织构化并进行化学清洗；

(b)在N型半导体衬底前表面制备介质膜；

(c)在N型半导体衬底背表面制作p-n结；

(d)在N型半导体衬底背表面制作银电极和铝电极；

(e)在N型半导体衬底前表面涂覆磷源；

(f)在N型半导体衬底前表面进行激光掺杂形成局域重掺杂N型区域；

(g)用化学镀或电镀方法在重掺杂N型区域上制作前电极。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(c)所述的p-n结制作是指利用铝硅合金化过程或高温硼扩散过程来制作p-n结。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述的利用铝硅合金化过程形成p-n结的方法包括以下步骤：

(a)采用丝网印刷、溅射或蒸镀的方法在N型半导体衬底上覆盖一层铝电极；

(b)在575～1000℃即不低于铝硅共晶温度的环境下对太阳电池进行热处理。

4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述的利用高温硼扩散过程形成p-n结的方法是指采用三溴化硼作为硼源，在800～1000℃的温度下对N型半导体衬底进行P型掺杂的过程。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(e)所述的涂覆磷源采用喷涂、旋涂或丝网印刷方式予以实现，所述的磷源是指磷酸、磷酸-乙醇混合溶液或高温磷扩散时形成的磷硅玻璃层。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(f)所述的激光掺杂是指采用激光烧蚀N型半导体衬底，把烧蚀区域内的衬底材料熔融并与磷源混合形成局域重掺杂N型区域。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，步骤(f)所述的局域重掺杂N型区域呈梳状分布在太阳电池前表面。

8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，步骤(f)所述的局域重掺杂N型区域的方块电阻不大于45Ω/□。

9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(g)所述的前电极由银、铜、镍、锡或含有上述元素的合金组成。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，所述的前电极位于局域重掺杂N型层之上。

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